环境催化 Topic6环境催化组合技术

Topic6、环境催化组合技术1、电催化：在电场作用下，存在于电极表面或溶液中的少量物质（可以是电活性或非电活性的）,以及由于电极材料本身性质或表面状态特性，能够显著加速在电极上发生的电子转移反应，而“少量物质”或电极本身并不发生变化的一类化学作用。它通过阳极反应直接降解有机物，或通过阳极反应产生羟基自由基(·OH)、臭氧一类的氧化剂降解有机物，这种降解途径使有机物分解更加彻底，不易产生毒害中间产物，更符合环境保护的要求，这种方法通常被称为有机物的电催化氧化过程。如何选择电极材料和改善电极材料（如纳米表面状态）的表面性能，使它除作电子导体外，还赋予它具有一定的电催化性能，则是电化学工作者研究的一个永恒课题。氧化─还原电催化是指固定在电极表面或存在于溶液相中的催化剂本身发生了氧化─还原反应，或为反应底物的电荷传递的媒介体，加速了反应底物的电子传递，因此也称为媒介体电催化。非氧化─还原催化是指起催化作用的电极材料本身或固定在电极表面上的修饰物并不发生氧化还原反应，而仅仅是在电化学反应的前、后或其中所产生的纯化学作用(b),又称外壳层催化。2、铁碳微电解特点铁碳微电解技术经过不断的优化改良，成为低成本处理含重金属、高COD、高色度、高氨氮等高浓度有机废水的处理的理想工艺，突破了传统方法：高成本、生化面积大、难达标的瓶颈。技术特点：在短时间内（30-90分钟）去除污水中的有害物质。包括：1）去除重金属：通过改变重金属元素的化学价，在催化和氧化的作用下变成金属化合沉淀物2）去除色度：

通过铁碳微电解的氧化作用产生新生氧，使色团受损而达到除色目的3）去除COD：

通过铁碳微电解的氧化作用断开大分子链，除了去除大部份COD值外，还能改善B/C值，有利后步生化处理，缩短生化时间及易于达标反应机理(l)氧化还原反应铁是活泼金属，在偏酸性水溶液中能够发生如下反应:Fe+2H+→Fe2++H2↑①当水中存在氧化剂时Fe2+可进一步被氧化为Fe3+。②在金属活动顺序表中排在铁后面的金属有可能被铁置换出来而沉积在铁的表面上③氧化性较强的离子或化合物会被铁或亚铁离子还原成毒性较小的还原态铁的还原能力也可使某些有机物被还原成还原态物质:硝基苯可被活性金属还原成胺基就是其中一例，还原后的胺基有机物颜色较淡，且易被微生物氧化分解，使废水中的色度得以降低，可生化性提高为进一步的生化处理创造了条件原电池反应铸铁是铁和碳的合金，即由纯铁和碳化铁(Fe3C)及一些杂质组成，碳化铁为极小的颗粒，分散在铁内，且碳化铁的腐蚀趋势低。因此，当铸铁屑浸入水中时就构成了成千上万个细小的微电池，纯铁为阳极，碳化铁及杂质则成为阴极，发生电极反应，这就是微观原电池。阳极反应Fe-2e-→Fe2+阴极反应：无O2存在时：2H++2e-→2[H]→H2有O2存在时:O2+4H++4e→2H2O(酸性溶液)O2+2H2O+4e→4OH-(碱性及中性溶液)（3）物理吸附作用①弱酸性溶液中，铁屑丰富的比表面积显出较高的表面极性，能吸附多种金属离子，促进金属的去除②铁屑中的微炭粒对金属的吸附作用也是不可忽视的③铁屑表面具有较高的活性，能吸附废水中的有机污染物，净化废水。④反应过程中产生的新的胶粒，其中心胶核是由许多Fe(OH)3聚合而成的有巨大比表面积的不溶性粒子，这就使它易于吸附、共沉、裹挟大量的污染物质，从而达到去除污染物的目的。（4）铁离子的作用①混凝作用：酸性条件下，产生的Fe2+和Fe3+是很好的混凝剂，将溶液pH值调至碱性且有O2存在时会形成Fe(OH)2和Fe(OH)3胶体絮凝剂，废水中原有的悬浮物质，通过原电池反应产生的不溶物和构成色度的不溶性胶体均可被其吸附凝聚。②沉淀作用:一些无机物与Fe2+和Fe3+反应生成沉淀物而被去除，以减少其对后续生化工段的毒害性。如S2-、CN-等将生成FeS、Fe3[Fe(CN)6]2、Fe4[Fe(CN)6]3等沉淀而被去除。③电子传递作用：铁是生物氧化酶中细胞色素的重要组成部分，通过Fe2+、Fe3+之间的氧化还原反应进行电子传递口。微电解出水中新生态的铁离子能参与这种电子传递，对生化反应有促进作用，提高了废水的可生化性。铁碳池运行过程中出现的问题1）铁屑结块和表面钝化问题2）出水返色问题：由于铁屑被氧化成Fe2+,又生成Fe3+,它们的水解产物Fe(OH)2和Fe(OH)3是造成返色现象的主要原因，并且未完全去除的Fe2+会在一定程度上加剧这种“返色”现象。3）产生铁泥：这个好处理，可以送往炼铁厂或者掺和制作建筑材料。（6）芬顿法运行过程中出现的问题①使用的试剂量多②过量的Fe2+增大处理后废水中的COD并产生二次污染③有机物矿化不充分，形成的中间产物往往毒性更大水力（超声）空化技术由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质，使液体流动而产生数以万计的微小气泡。存在于液体中的微小气泡（空化气泡）在声场的作用下振动，气泡迅速增长，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，破坏不溶性污物而使它们分散于清洗液中，当粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子即脱离，从而达到清洗件表面净化的目的。超声作用特点：（1）方向性好（2）功率大（3）穿透力强（4）空化作用（5）特殊效应超声技术的三大作用机理:1.空化理论2.自由基氧化3.超临界水氧化A、空化定义：当足够大声压的超声波作用于液体介质时，在负压区内介质分子间的平均距离会超过液体介质保持不变的临界分子距离，使得液体介质断裂，形成微泡的过程称之为空化现象。形成的微小气泡，即空化泡◎当频率在20kHz以上的声波辐射液体时，会使液相分子间的吸引力在疏松的半周期内被打破，形成空化泡，这一过程称为超声空化。◎生成的空化泡在随后声波正压相作用下，体积在极短的时间内被压缩。在这时，空化泡将产生两种不同的结果：稳态空化与瞬态空化。其中，稳态空化◎当在比较小的声压激发下产生的空化为稳态空化。◎对于稳态空化，气泡以其平衡半径剧烈的非线性振荡。◎对于稳态空化，其气泡一般不发生激烈地崩溃过程，当其非线性振荡较为强烈时，也会伴随而来一些效应，如在气泡界面上，由于高速度梯度引起的微射流，从而造成一定的粘滞应力来影响附近存在的细胞或大分子。瞬态空化◎当激励声压较大时,气泡运动就几乎完全两样了◎在气泡被压缩到极小之后，又有一个反弹，气泡极度地变形，发生破裂，形成许多新的小气泡，并伴有微射流现象。◎处于正常温度与压力的液体环境中就产生了异常的高温高压，即形成所谓的“热点”，这就是所说的“热点理论”。B、自由基氧化空化泡绝热崩溃时产生的高温高压（5500℃和50662～101325kPa）足以使H2O分子（水分子中O-H键能为500kJ/mol）分解为·H和·OH自由基C、超临界水氧化◎当温度和压力分别超过水分子的临界温度374℃和临界压力22MPa时，水分子处于超临界状态，称为超临界水。◎水的物化性质（粘度、电导率、离子活度积、密度和热容）在超临界区发生突变，因此具有低的介电常数、高的扩散性和快的传输能力，具有良好的溶剂化特性。◎超临界水能与非极性物质，如烃类，互溶，也能与空气、二氧化碳和氮气等气体完全互溶。超临界水的这些特殊性质使它成为一种理想的反应介质，有利于大多数化学反应速率的提高。D、其他机理◎机械剪切作用在含有有机物的多相体系中，由于空化泡崩溃时会使传质的质点产生很大的瞬时速度和加速度，引起剧烈的振动。振动在宏观上表现出强大的液体力学剪切力，使得大分子主链上碳键产生断裂，而起到降解高分子的作用。◎絮凝作用超声波对混凝具有促进作用，因为当超声波通过有微小絮体颗粒的液体介质时，其中的悬浮粒子开始与介质一起振动，但由于大小不同的粒子具有不同的振动速度，颗粒将相互碰撞、粘合，体积增大，最后沉淀下来。水溶液中的超声作用是以上几种过程的协同作用微波敏化技术1）技术原理：①微波化学污水处理技术的基础是“极性分子理论”：微波场可使极性分子每秒上亿次的振荡运动而快速升温，从而减弱分子中化学键强度，降低反应的活化能，加速了氧化分解反应的进程。②“微波诱导催化反应”：加入“敏化剂”（如活性炭等），促进吸收微波能，从而选择性地快速升温>1400℃，从而诱发有机污染物化学反应。③具杀菌、除藻效应：微波对生物体内极性物质的急剧加热使得生物体组织的空间结构发生变化或破坏，致使蛋白质变性，从而失去生物活性，微生物得以杀灭2）当前微波应用于水处理研究的几种类型①静态型：活性炭吸附水中有机物，再将活性炭置于微波条件下解吸。微波产生高温使得活性炭上的有机物炭化、活化，恢复吸附性能。②动态型：◎活性炭（或其它敏化剂）加入水中，同时进行微波辐照处理。活性炭具有强烈吸收微波的能力，在活性点位产生高温将吸附于周围的污染物氧化降解，此即“吸附－微波诱导催化氧化”。◎将微波技术与其他高级氧化技术联合，如Fenton法、光催化等。微波辐射几乎可使高级氧化技术的处理效率提高一倍。3）技术原理-微波无极光反应光化学体系中,光源辐照会产生氧化性极强的羟基自由基；在通入